آموزش قدم به قدم راه اندازی +NRF24L01 با کتابخانه سازگار با انواع میکروکنترلرها و کامپایلرها
قبل از اینکه قسمت بشه با ماژول +NRF24L01 کار کنم، خیلی از دوستان را دیده بودم که با این ماژول درگیر بودند و توی راه‌اندازیش مشکل داشتند و مثل یک اپیدمی شده توی گروههای تلگرامی و فرومها. همانطور که حدس می‌زنید وقتی که به ماژول +NRF24L01 نیاز پیدا کردم تا راهش بندازم و ازش استفاده کنم دقیقا همین بلا سر خودم هم اومد.
هدفم از نوشتن این مطلب این هست که دیگه مشکلی توی راه‌اندازی ماژول +NRF24L01 نباشه و همه به راحتی بتونن باهاش کار کنن و از قابلیت های این کتابخونه تقریباً بطور کامل استفاده کنن.
پس وقت را تلف نکنیم و بریم سراغ راه‌اندازی … با سیسوگ همراه باشید.
ترتیب پایه های ماژول +NRF24L01
نکات
- در این کتابخانه از پین IRQ استفاده نمی‌شود.
- CSN همان SS در ارتباط SPI است و CE یک پین اضافه کنترلی برای ماژول +NRF24L01 می‌باشد.
- نحوه اتصال پایه‌ها به میکروکنترلر در فایل c تعریف می‌شود که متعاقباً مفصل توضیح داده خواهد شد.
- همانطور که می‌دانید تغذیه ماژول 3 ولت هست اما بقیه پایه‌های ارتباطی ماژول (5v tolerant) هستند. یعنی سطح لاجیک 5 ولت رو تحمل میکنه و می‌تونیم مستقیم به میکروکنترلرهای 5 ولتی، مثل بعضی از مدلهای avr متصل کنیم.
توضیحات در مورد کتابخانه
این کتابخانه شاید بهینه‌ترین نباشه اما احتمالاً portable ترین هست. (نمیدونم فارسیش چیه) یعنی شما میتوانید با تغییرات کوچکی این کتابخانه را متناسب با میکروکنترلر خودتان شخصی‌سازی کنید. علت این صحبت هم این هست که شما با تغییر دادن چند تا تابع (که به قسمت GPIO هر میکروکنترلر مربوط میشه) در فایل radioPinFunctions.c، میتوانید کتابخانه موردنظر را شخصی‌سازی کنید و هر پایه‌ای از میکروکنترلر را به هر کدام از پایه‌های ماژول +NRF24L01 که خواستید وصل کنید و از این بابت جای هیچ نگرانی نیست. این قسمت فقط یکم دانش زبان C می‌خواد و آشنایی با GPIO میکروکنترلر مربوطه.
در این کتابخانه حالت‌های Auto Acknowledgement و Auto Retransmission فعال شده است و تعداد دیتا باید یک اندازه ثابت باشه (static length payload mode).
دو ویژگی ذکر شده از مهمترین قابلیتهای +NRF24L01 هستند که با آنها میتوانیم بفهمیم دیتا درست رسیده یا نه!
همچنین اگر دیتا در مرحله ارسال از دست رفت و درست به مقصد نرسید این چیپ میتواند خودش کار ارسال دوباره (Retransmision) رو انجام بدهد، که میتوانیم این قسمت را هم خودمان تنظیم کنیم که چه تعداد تلاش دوباره انجام بدهد و بین هر کدام از این تلاش‌ها چه تاخیری ایجاد شود.
البته تعداد تلاش دوباره روی 15 بار و تاخیر 1000 میکروثانیه به صورت خودکار تنظیم شده است، اما با تابع nrf24_RetransmissionConfig میتوانیم این مقادیر را تغییر بدهیم.
برای راه‌اندازی ماژول باید چهار فایل زیر در مسیر پروژه قرار بگیرد:
- nrf24.c
- nrf24.h
- nRF24L01.h
- radioPinFunctions.c
و در ابتدای کد برنامه باید دو فایل زیر ضمیمه شود:
1 2 | #include <nrf24.c> #include <radioPinFunctions.c> |
ممکن است کامپایلر یک سری Warning هم بدهد، آنقدر مهم نیستند، آنها را نادیده بگیرید.
(علت اینکه فایلهای c. رو داریم ضمیمه می‌کنیم این هست که یه سری از توابعی که داخل فایل nrf24.c وجود دارند داخل فایل nrf24.h موجود نیست. حال اگر فایل h. رو ضمیمه کنیم، احتمالا کامپایلر کلی ارور خواهد داد؛ اگرچه در عمل فایلهای h. و c. فرقی باهم ندارند و فقط فایل h. یک نامگذاری دیگر است که تفاوت بین فایلهای کتابخانه و کد پروژه مشخص باشد)
قبل از اینکه برویم سراغ کدنویسی یه نکته رو بگم،
خب شروع کنیم به یاد گرفتن توابع که ماشالله کم هم نیستن، ولی دست ما رو تقریباً واسه هر کاری باز می‌گذارند.
نحوه شخصی‌سازی فایل radioPinFunctions.c برای میکروکنترلر موردنظر
ابتدا ببینیم اصلا هدف و کاربرد این فایل چی هست؟!
قرار است ما در این فایل به کتابخانه بفهمانیم که چه پایه‌ای از ماژول به چه پایه‌ای از میکروکنترلر وصل است، سپس بیایم ورودی-خروجی بودن اون پایه‌ها رو تعیین کنیم و در نهایت نحوه صفر و یک کردن اون پایه رو به کتابخانه یاد بدهیم. علت این کار هم این هست که کتابخونه بتونه با spi نرم‌افزاری با ماژول صحبت کند. (یعنی یه spi که ما خودمون با gpio ها ساختیم و دیگه محدودیت کتابخونه به یک میکروکنترلر رو برداشتیم و میتوانیم با هر میکروکنترلری کار کنیم)
در این قسمت همه مثال‌ها و کدها بر اساس میکروکنترلر atmega8 ،avr است چراکه یک چیز عام باشد و همه بتوانند درکش کنند و ازش استفاده کنند. و شما باتوجه به فهمی که از avr دارید و توضیحاتی که داده شده، باید کد های مربوط به میکروکنترلر خودتان را جایگزین کنید.
بریم سراغ کدنویسی …
در خطوط اول فایل باید هدر میکروکنترلر مربوطه رو ضمیمه کنید تا برنامه رجیسترهای GPIO را بشناسد.
مثال
1 | #include <mega8.h> |
(set_bit(reg,bit: یک بیت از یک رجیستر رو 1 میکند.
(clr_bit(reg,bit: یک بیت از یک رجیستر رو 0 میکند.
(check_bit(reg,bit: مقدار یک بیت بخصوص از یک رجیستر را برمیگرداند.
بقیه فایل دارای پنج تابع است که کاربرد و نحوه تغییر دادنشون را خدمت شما شرح خواهیم داد.
()nrf24_setupPins: نقش این تابع تعیین ورودی-خروجی بودن پایه‌های متصل به میکروکنترلر از ماژول می‌باشد.
مثال
می‌خواهیم پایه x از یک پورت میکرکنترلر مورد نظر را که به ce ماژول متصل است خروجی کنیم:
1 | set_bit(Register,x); |
که Register همان رجیستر مربوط به تعیین خروجی میکروکنترلر مورد نظر است.
مثال
پایه ce ماژول به پین 1 از پورت B میکروکنترلر mega8 متصل است که باید خروجی شود، پس:
1 | set_bit(DDRB,1); |
مابقی را نیز به همین شکل انجام می‌دهیم.
تابع (nrf24_ce_digitalWrite(state
برای مثال در این قسمت ما پایه ce را به پایه 1 پورت B میکروکنترلر atmega8 متصل کرده‌ایم و تغییر آن به شکل زیر می‌شود:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 | void nrf24_ce_digitalWrite(unsigned char state) { if(state) { set_bit(PORTB,1); } else { clr_bit(PORTB,1); } } |
همانطور که مشاهده می‌کنید کار این تابع این است که از ورودی 0 یا 1 می‌گیرد و اگر 1 بود دستور set_bit و اگر 0 بود دستور clr_bit را اجرا میکند. اما این‌بار ورودی دستورات define شده، رجیستری است که مستقیماً سطح لاجیکی ( Logic Level ) پایه‌ها را کنترل میکند.
برای مابقی توابع همین عملیات تکرار می‌شود.
برای تابع آخر هم باید مانند این مثال تغییر را اعمال کنیم.
برای مثال اگر پایه miso ماژول به پین 4 پورت B متصل باشد، کد مربوطه به شکل زیر خواهد شد:
1 2 3 4 5 6 7 | unsigned char nrf24_miso_digitalRead() { return check_bit(PINB,4); } |
خب کار شخصی‌سازی این فایل تمام شد، فایل را ذخیره می‌کنیم و دیگه کاری با فایلهای کتابخانه نداریم و می‌رویم سراغ یادگیری توابع و بکارگیریشون داخل کد اصلی برنامه.
توابع شامل چند دسته میشن که به ترتیب توضیح داده میشه :
پیکربندی (Configuration) ماژول +NRF24L01
برای پیکربندی اولیه ماژول +NRF24L01 سه تابع زیر تعریف می‌شود :
1- ()nrf24_init
این تابع باید اول از همه در تابع main فراخوانی شود و کارش تعیین ورودی-خروجی پایه‌های انتخاب شده از قبل و در کل، تخصیص پایه‌های میکروکنترلر به پایه‌های ماژول است.
2- (nrf24_config(channel , payload_length , data_rate
داخل این تابع کارهای زیادی انجام می‌شود، اما کارهایی که ما میتوانیم با ورودی تغییرشان بدهیم دو متغیر است، یکی انتخاب کانال فرکانسی هست؛ که میتوانیم به جای channel از 0 تا 83 قرار بدهیم و دیگری تعداد بایت‌هایی که می‌خواهیم در هر ارسال فرستاده شود؛ که میتوانیم به جای payload_length از 0 تا 32 قرار بدهیم.
به جای data_rate باید یکی از سه عدد زیر قرار گیرد:
0 -> 1Mbit/s
1 -> 2Mbit/s
2 -> 250Kbit/s
مثال
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | void main(void) { nrf24_init(); nrf24_config(1,4,1); while(1) { } } |
3- (nrf24_RetransmissionConfig( delay_us , trial
این تابع برای تعیین تعداد تلاش دوباره برای ارسال و تاخیر بین هر دو تلاش در حالتی که دیتا به مقصد نرسیده است یا خطا دارد کاربرد دارد.
در این تابع مقدار تاخیر، به جای delay_us فقط ضرایب خاصی از 250 میتواند قرار گیرد. در غیر اینصورت رفتار ماژول قابل پیش‌بینی نیست.
این مقادیر تاخیر از طریق فرمول زیر به دست می‌آیند:
delay = (250*n)+250
که n از 0 تا 15 مقدار می‌پذیرد . یعنی ضرایب 250 تا حداکثر عدد 4000 قابل فهم و کار کردن برای ماژول است. پس میتوانیم اعداد 250، 500، 750، 1000، …، 4000 را در ورودی تابع قرار دهیم.
این تاخیر بر حسب میکرو ثانیه می‌باشد.
تعداد تلاش دوباره برای ارسال 0 تا 15 بار می‌باشد و به جای trial قرار می‌گیرد.
این تابع را خودم به کتابخونه اضافه کردم و دیدم به درد می‌خورد!
آدرس دهی
هر ماژول یک مک آدرس 5 بایتی مختص به خود را دارد که ما آن را به دلخواه انتخاب می‌کنیم و به ماژول اعلام می‌کنیم.
یک چیز دیگر که باید به ماژول اعلام شود، این است که طرف مقابل چه مک آدرسی دارد. که این‌ها از طریق دو تابع زیر انجام می‌شود:
1 | nrf24_rx_address(rx_mac); |
1 | nrf24_tx_address(tx_mac); |
این توابع باید در تابع main، بعد از توابع پیکربندی نوشته شوند.
اما چرا نوشتن این دو تابع مهم است؟ لطفا به مثال زیر دقت کنید تا اشتباه من رو مرتکب نشوید و مثل من یک هفته وقتتان گرفته نشود…
مثال
کد در قسمت فرستنده
1 2 3 4 5 6 7 | unsigned char rx_mac[5] = {0xE7,0xB2,0xE7,0xE7,0xE7}; unsigned char tx_mac[5] = {0xD7,0xD7,0xD7,0x12,0xD7}; nrf24_rx_address(rx_mac); nrf24_tx_address(tx_mac); |
کد در قسمت گیرنده
1 2 3 4 5 6 7 | unsigned char rx_mac[5] = {0xD7,0xD7,0xD7,0x12,0xD7}; unsigned char tx_mac[5] = {0xE7, 0xB2,0xE7,0xE7,0xE7}; nrf24_rx_address(rx_mac); nrf24_tx_address(tx_mac); |
تنظیم فرستنده یا گیرنده
برای این کار از دو تابع زیر استفاده می‌شود که نیازی به توضیح ندارند.
()nrf24_powerUpRx: تنظیم به عنوان گیرنده.
()nrf24_powerUpTx: تنظیم به عنوان فرستنده.
بردن ماژول +NRF24L01 به حالت خواب (Sleep Mode)
با استفاده از تابع زیر در زمان‌هایی که به ماژول نیاز نداریم میتوانیم مصرف توان ماژول را به حداقل برسانیم.
1 | nrf24_powerDown(); |
ارسال داده (Transmit)
برای ارسال داده از تابع زیر استفاده می‌شود:
1 | nrf24_send(data_array); |
متغیر ورودی تابع در اینجا، برای مثال ما data_array می‌باشد.
در این تابع، برای فرستادن دیتا ابتدا ماژول به صورت خودکار در حالت فرستنده قرار می‌گیرد (کد داخل این تابع به این شکل هست) و برای برقراری ارتباط باید ماژول دیگر در حالت گیرنده قرار گرفته باشد و قسمت ( …. , …. , …. )nrf_config باید یکی باشند.
برای مثال متغیر data_array هم به شکل زیر تعریف می شود ( با فرض اینکه payload_length در تابع nrf_config برابر با 4 باشد):
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | unsigned char data_array[4]; data_array[0] = 0x00; data_array[1] = 0xAA; data_array[2] = 0x55; data_array[3] = 0xFF; |
بعد از هر ارسال نباید دیتای دیگری را ارسال کرد و باید ابتدا از ارسال کامل دیتای قبلی اطمینان حاصل نمود برای این کار از تابع زیر استفاده می‌شود:
()nrf24_isSending
این تابع ورودی نمی‌گیرد و تا وقتی که دیتا در حال ارسال است، 1 را برمیگرداند و وقتی که ارسال تمام شد، 0 را برمیگرداند. و معمولا قبل از هر ارسال کد زیر قرار می‌گیرد:
1 | while(nrf24_isSending()); |
بعد از هر ارسال پیشنهاد می‌شود از درست ارسال شدن آخرین دیتا اطمینان حاصل کنیم و روی آخرین ارسال پردازش انجام دهیم که با دو تابع زیر انجام پذیر است:
()nrf24_lastMessageStatus
این تابع ورودی نمی‌گیرد و اگر 0 را برگرداند یعنی دیتا درست ارسال شده و اگر 1 را برگرداند یعنی ارسال دیتا به مشکل برخورده است.
()nrf24_retransmissionCount
این تابع نیز ورودی نمی‌گیرد و تعداد تلاش دوباره برای فرستادن آخرین دیتا را برمیگرداند.
دریافت داده (Recieve)
چون در این کتابخانه از پین IRQ استفاده نمی‌شود، بنابراین برای دریافت داده باید پیوسته تابع زیر را بخوانیم تا از رسیدن دیتا مطلع شویم:
()nrf24_dataReady
این تابع ورودی نمی‌گیرد و هر وقت عدد 1 را برگرداند یعنی در FIFO ماژول حداقل یک دیتا رسیده و باید خوانده شود.
برای دریافت دیتا باید تابع روبرو فراخوانی شود:
1 | nrf_getData(data_array); |
چون در زبان C قابلیت return یک آرایه قرار داده نشده است ما از این ترفند و ورودی قرار دادن آرایه در تابع استفاده کردیم.
که متغیر data_array باید به شکل زیر تعریف شود (فرض بر این است که payload_length در تابع nrf_config برابر 4 تنظیم شده است):
1 | unsigned char data_array[4]; |
که دیتای اول در [data_array[0، دیتای دوم در [data_array[1 و … قرار می‌گیرند.
با این توضیحات و توابعی که ذکر شد میتوانید کاملا ماژول را راه‌اندازی کنید.
توابعی که در پایین تر ذکر می‌شود توابع دیگری هستند که در کتابخانه موجود است و ممکن است برحسب پروژه خود، به آنها نیاز پیدا کنید.
nrf24_rxFifoEmpty: ورودی نمی‌گیرد و اگر FIFO دریافت خالی باشد 1 را برمیگرداند.
nrf24_payloadLength: ورودی نمی‌گیرد و تعداد بایت منتظر در FIFO را برمیگرداند.
nrf24_getStatus: رجیستر Status در NRF را برمیگرداند.
nrf24_configRegister: فقط یک بایت داده را در رجیستر مورد نظر می‌نویسد.
nrf24_readRegister: رجیستر مورد نظر را از NRF را می‌خواند.
nrf24_writeRegister: هر تعداد بایت داده به دلخواه در رجیستر مورد نظر می‌نویسد.
نکات کلی
برای استفاده از این ماژول ابتدا از میکروکنترلر mega 8 استفاده کردم با کلاک 8 مگاهرتز. و سپس قرار شد که میکروکنترلر عوض شود و LPC1768 استفاده شود با کلاک 100 مگاهرتز، پس من به این فکر افتادم که سرعت Software spi رو چک کنم تا از حد پشتیبانی nrf بیشتر نشود.
تست من طبق شرایط زیر است:
میکرو mega8 کلاک 8 مگاهرتز.
کلاک تایمر-کانتر را بر 8 تقسیم کردم تا محاسبات ساده‌تر شود و هر عدد کانتر نماینده یک میکروثانیه باشد. با یک کد ساده محاسبه شد که ارسال یک بایت داده با spi نرم افزاری 150 میکروثانیه طول می‌کشد. با یک محاسبه می‌توان فهمید سرعت ارسال داده 53.333Kbit/s است پس با 10 برابر شدن کلاک GPIO باز هم از مرز 10Mbit/s رد نمی‌شویم و این خبر خوبیست.
خبر بد این است که برای جاهایی که سرعت ارسال داده (data rate) بالا نیاز است، خوب نیست و به درد نمی‌خورد.
پس بهترین کار این است که تابع spi_transfer در فایل nrf24.c را برای میکروکنترلر خودمان به spi سخت‌افزاری تغییر بدیم تا دیگه این کتابخانه هیچ مشکلی نداشته باشد. (اینو دیگه میذارم به عهده خودتون)
فقط تنظیمات spi باید به شکل زیر باشد:
Sck idle state :High
Sampling edge :idle to active
Bit order :MSB First
یک تست خاص هم برای بُرد ماژول انجام دادم گفتم بذارم شاید به درد کسی بخورد.
شرایط تست: فرستنده از نوع دارای pa+lna مشکی رنگ می‌باشد و گیرنده از نوع معمولی +NRF24L01 .
میکروکنترلر: مگا 8
در محیط بسته تا 3 لایه دیوار ارتباط برقرار است .(تا صد متر فاصله)
اگر هر دو از نوع pa+lna باشد تا 10 لایه دیوار نیز ارتباط برقرار است.
خب خسته نباشید امیدوارم ماژول +NRF24L01 را راه انداخته باشید و ازش به خوبی استفاده کنید.
اگر سوالی داشتید حتما کامنت بگذارید سعی میکنم همه سوالات را جواب بدهم.
سورس کامل را هم میتوانید از منبع ( گیت هاب) و همچنین در زیر رایگان دانلود و استفاده نمایید.
NRF24L01 Library-Example Sisoog (65 دانلود ها)انتشار مطالب با ذکر نام و آدرس وب سایت سیسوگ، بلامانع است.
شما نیز میتوانید یکی از نویسندگان سیسوگ باشید. همکاری با سیسوگ
سلام و وقت بخیر ممنون از پاسخ و توجهتان.
خوشبختانه مشکل من حل شد و الان برد واقعا خوبی گرفتم.
من چند نمونه از ماژول را تست کردم و از چند جای مختلف تهیه کردم. یک مدل که اخرین بار تست کردم واقعا خوب جواب داد و کار مار راه افتاد.
متاسفانه بردهایی که به رنگ آبی بودند و البته قیمت بالاتری هم داشتند کارکرد منطقی را نداشتند.
ممنون از راهنماییتان، من بیت مربوط به توان و سرعت انتقال را هم روی ماژل هایی که خوب نبودند تست کرده بودم اما متاسفانه بهتر که نشدند بدتر هم شدند.
سپاس و موفق باشید
سلام دوست عزیز
ممنون برای به اشتراک گذاری تجربیاتتون
منم واقعا با کیفیت ماژول های موجود توی بازار مشکل داشتم و البته دارم هنوز 😐
سلام جناب مهندس با توجه به تحقیقات بنده راجع به NRF24L01 نکات شما بسیار ناب و اموزشی بود..
بنده یه پروژه ساده ای دارم که میخام با زدن کلیدها توسط فرستنده میکروکنترلر ATMEGA8 حدود شش LED رو در سمت گیرنده ATMEGA8 خاموش و روشن کنم.اما چند وقته همینطور سردر گم هستم.شما میتونید راجع به این قضیه با توجه به توضیحاتی که راجع به این ماژول دادید کمکم کنید.خیلی نیاز دارم به کمک.مطالب شما رو خوندم انالیز کردم فقط نمیدونم چجوری این پروژه خودمو به ثمر برسونم.
سلام. من دو سه سال پیش با این ماژول کار کردم. مشکل بزرگی داره که کلا بیخیالش شدم. ظاهراً در هوای سرد ماژول از کار میوفته. علتش و نفهمیدم
سلام . چه جالب من تجربه کار تو هوای سرد رو نداشتم … حالا اگه شد تست میکنم و همین پست رو آپدیت میکنم ، اگه تونستید بهم بگید که تا چند درجه دما به پایین کار نمیکرد .
سلام و عرض ادب! در رابطه با این ماژول احتیاج به مشورت یک دوست و همکار خبره در این زمینه دارم. ممنون میشم راهنمایی بفرمایید.
من این ماژول را راه اندازی کردم و ارسال دریافت به خوبی انجام میشه.
تنها مشکلی که دارم با برد این ماژول هست. در فضایی مثل سالن (حدود 50 متر) نیاز به کارکرد دارم به قابلیت اطمینان خوب.
ابتدا نوع معمولی را تهیه کردم که در فضای یک اتاق در حدود 6-7 متر خوب جواب میداد. بعد یک مدل آنتن دار چینی استفاده کردم که برد حدود 15 متر بیشتر شد. اما همیشه این برد را ندارم و برد کاهش پیدا کرد. بعد از اون برای فرستنده مدل PA اصلی را استفاده کردم که با کمال تعجب برد این ماژول از مدل بدون آنتن هم برای من کمتره.
الان با وجود یک ماژول معمولی در فرستنده و گیرنده های آنتن دار چینی بردی حدود 10 متر را دارم.
به کلی گیج شدم که آیا سیستم من اشکالی دارد یا قطعات…
پیشاپیش از توجه و همفکری شما سپاسگزارم.
سلام ممنون . یکی از دلایل کم بودن برد میتونه در اثر کد شما باشه . علتش هم این هست که در ماژول یک پارامتر قابل تنظیم برای توان ارسالی وجود داره اگه براتون مقدوره با این کتابخونه کد رو بزنین و نتیجه رو اعلام کنید( در کتابخونه توان ارسالی رو ماکزیمم مقدار تنظیم شده ) چون همونجور که نوشتم من با مدل چینی که مشکی هم هست برد بسیار بالاتری گرفتم .
یک سوال دیگه که دارم اینه که آیا در اون سالنی که هستید دیوار بین دو ماژول قرار میگیره یا نه و یا اینکه پوشش فلزی بین دو ماژول میوفته ؟ چون هر گونه پوشش فلزی میتونه تقریبا ارتباط رو قطع کنه
سرعت انتقال رو کاهش بدین